УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ВЫХОДНЫХ КАСКАДОВ ОТ ПЕРЕГРУЗОК

Из рассмотрения особенностей характеристик и параметров мощных высоковольтных транзисторов становится ясно, что даже кратковременный выход рабочей точки за пределы ОБР резко увеличивает вероятность отказа. Поэтому выходные каскады ИИЭ нуждаются в таких мерах защиты, которые обеспечивали бы как можно более быстрое отключение транзистора при возникновении аварийного режима.

Характерные причины возникновения аварийных режимов: «броски» сетевого напряжения, вызывающие увеличение импульса напряжения на коллекторе; короткое замыкание или обрыв в цепи нагрузки; лавинообразное нарастание тока коллектора из-за насыщения магнитопровода трансформатора (причинами насыщения могут быть изменения характеристики намагничивания магнитопровода из-за перегрева, случайное увеличение длительности импульса, открывающего транзистор, под действием помехи из сети и др.).

Надежная защита крайне важна в условиях серийного производства ИИЭ, когда со сборки на регулировку могут поступать блоки с ошибками в монтаже, с регулировочными органами, находящимися в случайном, не оптимальном положении. Устройство защиты позволяет сократить число вышедших из строя дорогостоящих выходных транзисторов.

Идеальное устройство защиты должно работать по следующему алгоритму: обнаружение аварийного режима на начальных стадиях его развития; как можно более быстрое отключение силовых транзисторов преобразователя; выдержка в отключенном состоянии в течение некоторого времени (сотни миллисекунд); повторное включение преобразователя, причем с плавным нарастанием выходной мощности; повторение циклов выключения — включения в течение некоторого времени (секунды), если аварийный режим не самоустраняется; окончательное отключение ИИЭ от сети (с помощью плавкого предохранителя, реле) после повторения нескольких циклов выключения — включения.

В практических блоках ИИЭ для бытовой аппаратуры в силу требования низкой стоимости этот алгоритм выполняется, как правило, лишь частично.
Для обнаружения возникающего ава рийного режима ИИЭ должен содержать дополнительные элементы — датчики напряжения на коллекторе и тока через транзистор (датчики перегрузки).

Для однотактных преобразователей меры защиты проще и эффективнее, так как в них приходится выключать лишь один мощный силовой транзистор. Независимо от вида датчиков перегрузки, главный принцип защиты остается неизменным и заключается в подаче на базу выходного транзистора запирающего напряжения в период работы преобразователя, следующий непосредственно за периодом, во время которого перегрузка обнаружена. Наиболее типичным является запуск выходного каскада от предварительного импульсного усилителя с трансформатором (рис. 17,а). На этом рисунке изображен однотактный преобразователь с обратным включением выпрямителя в момент, когда происходит пробой конденсатора выходного фильтра и ток транзистора благодаря этому увеличивается. Перегрузка по току, обнаруживаемая с помощью датчика — резистора R1, включенного в цепь коллекторного тока, вызывает срабатывание схемы управления, которая отпирает транзистор VT1. Благодаря противофазной работе транзисторов VT1 и VT2 напряжение на базе VT2 сразу после срабатывания устройства защиты становится отрицательным и затем достигает нулевого значения.

Следует обратить внимание на необходимость отпирания VTI в момент перегрузки: если бы VT1 запирался, то на базе VT2 продолжало бы действовать положительное напряжение (штриховая линия эпюры UE3 на рис. 17,6). Стационарный электрический режим транзистора выходного каскада преобразователя должен целиком располагаться внутри динамической ОБР с запасом на начало аварийного режима, существующего к моменту срабатывания устройства защиты.

Включение резистора — датчика перегрузки по коллекторному току в эмиттерную цепь выходного транзистора не является оптимальным с точки зрения быстродействия защиты, хотя значительно упрощает ее. Этот вариант также неприемлем для двухтактных полумостовых схем.

Поэтому часто в качестве датчиков перегрузки по току используют малогабаритные импульсные трансформаторы на кольцевых ферритовых магнитопроводах с внешним диаметром 7 — 10 мм. Первичная обмотка, состоящая всего лишь из одного витка, включается в цепь протекания коллекторного тока или тока выпрямительных диодов наиболее мощного источника вторичного напряжения. Вторичная обмотка состоит из 30 — 40 витков и подключается через резистивный делитель напряжения к соответствующему входу схемы управления. В этом случае легко решается проблема гальванической развязки цепи датчика от сети.

Рис. 17. К пояснению принципов защиты транзистора однотактного преобразователя от перегрузки:

а — функциональная схема; б — временная, диаграмлма

В тех случаях, когда датчик контролирует импульсный ток выходного транзистора или выпрямительных диодов, срабатывание устройства защиты не может произойти раньше периода, следующего за периодом, в котором перегрузка обнаружена. Можно ускорить этот процесс, если в качестве датчика перегрузки использовать резисторы, включенные последовательно в цепь нагрузки (R2 на рис. 17,а). Здесь сигнал перегрузки может быть обработан в течение 2 — 3 мкс после того, как ток нагрузки достигнет критического значения. Если схема управления находится на «сетевой» стороне преобразователя, то датчик перегрузки может быть подключен к ней через миниатюрный импульсный трансформатор ТЗ и пороговый элемент — маломощный тиристор VD2 типов КУ101, КУ104, КУ110 (рис. 17,а).

Возможно также комбинированное включение нескольких датчиков перегрузки, объединяемых на входе порогового элемента с помощью диодных схем ИЛИ. Такое включение датчиков требуется, например, в мощных стереофонических усилителях, где для питания двухтактных выходных каскадов используется два одинаковых разнонолярных источника напряжения равной мощности.

Сигналы о перегрузках по напряжению обычно поступают на схему управления либо через резистивные делители напряжения, подключаемые к соответствующим узлам устройства (выход сетевого выпрямителя, шина питания схемы управления), либо через пиковые детекторы, подключаемые к коллектору выходного транзистора или к обмоткам трансформатора.Надо иметь в виду, что защита транзисторов, основанная на контроле перегрузок по напряжению, менее эффективна, чем защита по токовым перегрузкам, так как первопричиной возникновения критического импульса напряжения на коллекторе является большой ток перед выключением транзистора. В современных схемах управления, в которых используются сложные многофункциональные интегральные микросхемы (одна из них описана ниже), защита от перегрузок по напряжению выполняет лишь вспомогательную, предупреждающую роль. Некоторые практические схемы защиты приведены ниже.

Содержание раздела